DE1622500B2

DE1622500B2 - Vorrichtung zur Messung optischer Wegunterschiede nach der Schlierenmethode

Info

Publication number: DE1622500B2
Application number: DE1622500A
Authority: DE
Inventors: Michel Eric Charles Paris Philbert
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1963-06-05
Filing date: 1964-06-04
Publication date: 1974-08-22
Also published as: US3431352A; DE1622500C3; FR1504402A; DE1622500A1; GB1062922A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung optischer Wegunterschiede nach der Schlierenmethode unter Verwendung einer undurchsichtigen Schneide mit geradliniger Kante, die in das zu untersuchende Lichtbündel eingeschoben wird.

Mittels der von To ep ler angegebenen und von Cranz und S char din für quantitative Anwendungen ausgestalteten Schlierenmethode können optische Einrichtungen, z. B. Hohlspiegel, Glasplatten od. dgl.

geprüft oder Dichteänderungen, Konzentrationsänderungen, Druckwellen, Strömungsvorgänge, akustische Vorgänge in Gasen oder Flüssigkeiten untersucht werden (VDI-Forschungsheft 367, Juli/August

.. 1934, S. 14 und 15). Die Vorrichtung, welche dabei verwendet wird, besteht im wesentlichen aus einer rechteckförmigen Lichtquelle, die in die Ebene einer undurchsichtigen Schneide einer Schlierenblende abgebildet wird. Die Schneide wird nun so weit in das zu untersuchende Lichtbündel vorgeschoben, daß — Schlierenfreiheit des Objekts vorausgesetzt — das Bild der Lichtquelle gerade von der Schneide abgedeckt würde. Durch die optischen Wegunterschiede, welche durch Abbildungsfehler in dem zu untersuchenden optischen Gegenstand oder durch Brechungsunterschiede hervorgerufen werden, gelangt nun ein Teil des Lichtes an der Schneide vorbei. Dieses bildet ein Schlierenbild, das z. B. mittels eines Photo-Objektivs auf einer lichtempfindlichen Platte erzeugt werden kann und das um so heller oder dunkler ist, je nachdem das durch die Schliere hindurchtretende Licht mehr oder weniger von der Schlierenblendenkante weg oder auf die hinaufgebrochen wird.

Die Auswertung von Schlierenphotographien ist äußerst schwierig und stellt an die subjektive Geschicklichkeit der Person, welche die Untersuchung ausführt, beträchtliche Anforderungen. Schließlich muß aus einer photographischen Schwärzung unter Eliminierung der sich bei der Entwicklung ergebenden quantitativen Unsicherheit auf die Fehlerstellen, z. B. in einem zu untersuchenden Hohlspiegel, geschlossen werden. Es ist nicht möglich, quantitativ exakt anzugeben, welche Beträge an den verschiedenen Stellen eines Hohlspiegels abzuschleifen sind und diesen einem idealen Spiegel anzunähern. Man beseitigt dementsprechend meistens immer nur einen stark ins Gewicht fallenden Fehler und prüft dann den Gegenstand wiederum nach dem Schlierenverfahren. Da jeweils bis zur Erstellung und Auswertung der Photographie ein längerer Zeitraum vergeht, ist dieses Verfahren sehr mühselig. Weiterhin ist es nicht möglich, den fehlerhaften Gegenstand mit verschiedenen theoretisch fehlerfreien Gegenständen zu

den soll, befindet sich als Lichtquelle ein rechteckiges Fenster S (Fig. 2), welches aus großen Seiten 20 und 21 — der diesen Seiten parallele Spiegeldurchmesser Lx ist bei x' (F i g. 6) dargestellt — und aus dazu senkrechten Seiten 22 und 23 besteht. Der Spiegel M wird von Seiten 51 und 52 des V-förmigen Einschnittes eines Blockes 53 abgestützt (F i g. 5). Der Mittelpunkt 24 des Fensters S liegt in einer Entfernung vom Scheitel L des Spiegels, welche im wesentlichen gleich dem Kugelradius ist, der die reflektierende Fläche des Spiegels erzeugt. In einer Ebene, die das vom Spiegel M gelieferte Bild S' des Fensters S enthält, liegt eine Schneide C; ihre Kante 25 (Fi g. 1, 4 und 6) steht senkrecht zur Richtung Lx und parallel zur Tangentialebene des Spiegels in dessen Scheitel L.

Das Fenster S wird von einem Kondensor beleuchtet. Zur präzisen Einstellung des Spiegels M dienen Schrauben 54, die eine den Block 53 tragende Platte 55 abstützen (F i g. 5). Diese Einstellung erfolgt so, daß das vom Spiegel M gelieferte Bild S' des Fensters S in unmittelbarer Nachbarschaft des Fensters S liegt. Die Schneide C kann in Richtung eines Doppelpfeiles 26, d. h. in ihrer Ebene parallel zu der erwähnten Tangentialebene des Spiegels und parallel zur Richtung Lx hin und her zu verschoben werden.

Weiterhin kann die Schneide C in Richtung eines Doppelpfeiles 27 senkrecht zu ihrer Ebene verschoben werden, wobei im letzteren Fall sich die Schneide dem Spiegel M nähert oder sich von ihm entfernt.

Eine der Bilderzeugung dienende Linse 41 (F i g. 5) ist im wesentlichen in der Ebene der Schneide C angeordnet. Weiter entfernt vom »sphärischen« Spiegel M als die Schneide C befindet sich ein Planspiegel m (Fig. 1 und 5), welcher um eine Achse 19 drehbar angeordnet ist, wobei diese Achse 19 in der Ebene des Spiegels m und senkrecht zu derjenigen Ebene verläuft, die durch den Mittelpunkt 24 des Fensters S, den Scheitel L des zu untersuchenden Spiegels M und den Mittelpunkt des Bildes 5' bestimmt ist. Ferner kann der Spiegel m um die Achse 19 in eine gleichförmige Rotationsbewegung versetzt werden, was durch das Bezugszeichen 28 angedeutet ist. In der Ebene eines Bildes, das die Linse 41 vom Spiegel M über den Spiegel m liefert, befindet sich ein undurchsichtiger Schirm 29, welcher eine kleine rechteckige Lochblende F besitzt. Die kleine Seite der Blende F liegt senkrecht zur Richtung der Drehachse 19. Hinter dem Schirm 29 in Fluchtung mit der Lochblende F ist eine Photozelle PM angeordnet, die der aus dem Fenster S austretenden Strahlung angepaßt ist.

Es sind ferner schematisch mit 29' bezeichnete Einrichtungen vorgesehen, um den Schirm 29 nach jedem vollen Umlauf des Spiegels m senkrecht zum Lichteinfall zu verschieben, und zwar genau um die Breite der Lochblende F in der Verschiebungsrichtung. Die Photozelle PM nimmt an der Bewegung des Schirmes 29 teil. An Stelle einer diskontinuierlichen Verschiebung des Schirmes 29 nach jedem Umlauf des Spiegels m kann auch eine kontinuierliche Verschiebung des Schirmes 29 derart vorgesehen werden, daß während der Zeit eines vollen Umlaufs des Spiegels m sich der Schirm 29 über eine Strecke gleich der Breite der Lochblende verschiebt.

Es kann auch der Schirm 29 unbeweglich sein. Es werden dann der Spiegel m und sein Antriebsmotor senkrecht zur Achse 19 und parallel zum Schirm 29 verschoben, so daß der schnellen Verschiebung des beleuchteten Bereiches M' eine langsame Verschiebung in einer dazu senkrechten Richtung überlagert ist.

Das Ausgangssignal der Photozelle PM wird über eine Leitung 30 (F i g. 7) an eine elektronische Mischeinrichtung 31 gelegt, welche über eine Leitung 32 eine Rechteckspannung erhält, die in einer Einrichtung 33 erzeugt wird. Es sind Mittel 34 vorgesehen, um die Amplitude und die Länge der Rechteckspannung nach Belieben und voneinander unabhängig einzustellen. Auf der Welle 19 des Spiegels m sitzt fest ein Drehkontakt 56, mit welchem ein Stromabnehmer 57, dessen Winkelstellung einstellbar ist, zusammenarbeitet (Fig. 5). Der Stromabnehmer 57 ist über eine Leitung 58 mit der Einrichtung 33 verbunden, so daß der Rechteckimpuls auf eine bestimmte Winkelstellung des Spiegels m synchronisiert wird. Das von der Mischeinrichtung 31 gelieferte Signal wird mit Hilfe eines Kathodenstrahloszillographen 36 (F i g. 7) sichtbar gemacht und weiterhin über eine Verzweigung 60 an eine Integrationsschaltung 37 geschaltet, deren Ausgangssignal an einen Kathodenstrahloszillographen 38 gelegt wird. Gegebenenfalls ist auch ein einziger Oszillograph ausreichend, nämlich beispielsweise ein Zweistrahloszillograph oder auch ein Einstrahloszillograph mit einer Umschalteinrichtung, dem man wahlweise entweder die aus der Mischeinrichtung 31 austretenden Signale oder die aus der Integrationsschaltung 37 stammenden Impulse zuführt.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Anordung ist folgende:

Die aus dem Fenster S austretende Energie wird von dem Spiegel M reflektiert und liefert das Bild S', welches gegenüber dem Fenster S mit Bezug auf den Spiegel M optisch konjugiert ist. Ein Teil der Lichtenergie wird von der Schneide C abgeschnitten. Der andere Teil tritt durch die Linse 41 und liefert ein Schlierenbild M' (F i g. 3) des Spiegels M, das nach der Reflexion am Spiegel m auf den Schirm 29 projiziert wird. Das projizierte Bild M' besitzt eine kreisförmige Kontur 61, die der Kontur des Spiegels M entspricht in Form eines mehr oder weniger hellen kreisförmigen Bereiches auf dem dunklen Untergrund des Schirmes 29. In der F i g. 3 ist dieser Bereich symbolisch durch eine Schraffierung dargestellt. Infolge der Rotationsbewegung/ (Fig. 1) des Spiegels m um seine Achse 19 verschiebt sich dieses Bild M' auf den Schirm 29 relativ zur Lochblende F. Der Richtungssinn dieser Verschiebung ist durch den Pfeil F^r in F i g. 3 angegeben. Die Photozelle tastet infolge der Rotation des Spiegels m einen parallel zu F' verlaufenden Streifen des Bildes ab, der durch die Geraden 63 und 64 begrenzt ist, wobei entsprechend F i g. 3 die Bildkontur des Spiegels von 61 nach 61' wandert. Nun ist aber der durch die Geraden 63 und 64 des Bereiches M' begrenzte Streifen das Bild eines Streifens des Spiegels M, welcher durch die Geraden 67 und 68 begrenzt ist, wobei diese Geraden senkrecht zur Rotationsachse 19 des Spiegels m liegen. Wenn der gesamte durch die Geraden 63 und 64 begrenzte Streifen an dem Loch F vorbeigewandert ist, wird infolge der Verschiebung

des Schirmes 29 beim folgenden Umlauf des Spiegels m der benachbarte Streifen des Bereiches abgetastet, der durch die Gerade 63 und die zu ihr parallele Gerade 69 begrenzt wird. Dabei empfängt also

vergleichen. So gibt es z.B. eine Anzahl von verschiedenen idealen Hohlspiegeln, die man aus einem fehlerhaften Spiegel näherungsweise herausarbeiten kann. Eine unmittelbare quantitative Auswertung des erhaltenen Schlierenbildes ist jedoch bis jetzt nicht möglich.

Bei einem Phasenkontrastverfahren ist es bekannt, mittels einer photographischen Platte oder einer Photomultiplikatorzelle die Bildebene abzutasten und an einen Aufzeichner die Werte des Phasenkontrastbildes weiterzugeben. Die verschiedenen Teile dieses Phasenkontrastbildes können zwar zur Bestimmung von Brechungskoeffizienten einer zu untersuchenden Probe verwendet werden, jedoch ließe sich bei Anwendung der bekannten Abtasteinrichtung bei einer Vorrichtung, welche nach dem Schlierenverfahren arbeitet. Fehlerstellen in den verwendeten vorhandenen Spiegeln nicht exakt nach Lage und Größe bestimmen, so daß eine unmittelbar quantitative Auswertung des Schlierenbildes nicht möglich wäre.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine unmittelbar quantitative Auswertung einer Schlierenuntersuchung ermöglicht.

Diese Aufgabe wurde gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß hinter der Schneide ein Drehspiegel angeordnet ist, mittels dessen ein Schlierenbild des zu untersuchenden Gegenstandes auf einen mit einer Lochblende versehenen Schirm projiziert wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels welcher eine Relativverschiebung zwischen der Lochblende und dem Schlierenbild quer zu der vom Drehspiegel erzeugten Wanderbewegung des Schlierenbildes erzielt wird, ferner, daß hinter der Lochblende eine Photozelle vorgesehen ist, die den Lichtwerten der punktförmigen Abtastung des Schlierenbildes entsprechende Impulse einer Auswerteeinrichtung zuleitet.

Vorzugsweise besitzt die Lochblende eine rechteckige Gestalt. Die punktförmige Abtastung erfolgt in parallelen Streifen. Das Signal der Photozelle kann mit einem Rechteckimpuls gemischt werden, dessen Amplitude regulierbar ist. Die Regulierung erfolgt dabei derart, daß das resultierende Mischsignal den Mittelwert Null hat. Das Mischsignal kann integriert und auf einen Kathodenstrahl-Oszillographen aufgeschaltet werden. Weiterhin können, wie weiter unten noch ausführlich beschrieben wird, auf die Vorrichtung einwirkende Vibrationen kompensiert werden. Es können auch Doppelprismen zur Anwendung kommen, wie sie in Interferenzschlierenverfahren benutzt werden.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung wird eine elektronische Abtastung des Schlierenbildes mittels einer Fernsehkamera vorgenommen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut zur Prüfung von Spiegeln, wobei die Impulse der Photozelle mit elektronisch erzeugten Signalen verglichen werden, welche einem völlig fehlerfreien Spiegel entsprechen würden. Weiterhin eignet sich die Vorrichtung zur Untersuchung von Strömungsvorgängen in gasförmigen und flüssigen Medien.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der weiteren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die rechteckige Lichtquelle,

F i g. 3 eine Draufsicht auf den die Lochblende enthaltenden Projektionsschirm,

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines Lichtbündels, welches aus einem Element des zu priifenden Spiegels stammt,

F i g. 5 eine schematische und perspektivische Ansicht der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung,

F i g. 6 eine schematische und perspektivische Ansicht eines Teiles der Vorrichtung, Fig. 7 ein Schema des elektronischen Teiles der Vorrichtung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer-Wellenfläche,

F i g. 9 ein Diagramm eines Spannungsimpulses, Fig. 10 das Schema der Integration, F i g. 11 die Anpassung des integrierten Impulses,

Fig. 12 ähnlich Fig. 11 eine für andere Anwendungsfälle vorgesehene Anpassung, Fig. 13 eine Schneide in zwei Stellungen, .. Fig. 14 ein Diagramm.der Photozellenspannung,

Fig. 15 die aus dem Diagramm der Fig. 14 durch Integrierung sich ergebende Impulsform,

Fig. 16 einen Rechteckimpuls, ',

Fig. 17 die Integration des Rechteckimpulses gemäß Fig. 16, . , .'

Fig. 18 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Untersuchung aerodynamischer Phänomene, ' · , '

Fig. 19 eine schematische Ansicht des Stiomfadens im Transversalschnitt, .·-_.·''■· -

Fig. 20 eine Seitenansicht eines Teijes'der in F i g. 27 dargestellten Vorrichtung,.

Fig. 21 eine schematische Darstellung mit Bezug auf die Untersuchung eines Stromfadens in der Nähe eines Modells, . . .... . " '.

Fig. 22 eine Darstellung zur'Erläuterung der Schneideneinstellung, ...

Fig. 23 die schematische Darstellung eines resultierenden Oszillogramms,

Fig. 24 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer zusätzlichen Verbesserung,

Fig. 25 eine schematische Seitenansicht eines Teiles dieser Vorrichtung,

F i g. 26 ein Blockschaltbild einer anderen bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 27 eine schematische Ansicht des Schirmes einer Fernsehkamera dieser Vorrichtung mit einem beleuchteten Bereich,

Fig. 28 eine Seitenansicht des Schirmes eines Fernsehempfängers dieser Vorrichtung mit der schematischen Darstellung eines Fernsehbildes, Fig. 29 schematisch eine verbesserte Schaltung, welche bei der in Fig. 41 gezeigten Vorrichtung zur Anwendung gelangen kann,

Fig. 30 eine Schemaansicht einer verbesserten Schaltung, welche ebenfalls bei der erwähnten Vorrichtung zur Anwendung kommen kann.

Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1 bis 17 Bezug genommen. Vor einem »sphärischen« Spiegel M (Fig. 5), dessen Kugelgestalt überprüft wer-

23/ ist die Projektion von 23' bezüglich ds_M auf

die Ebene 24, L, 24„' und
zi ist das Intervall zwischen as₀ und ds_M.

Dann ist die Abweichung zwischen ds₀ und d>" gleich 2/1.

Die Neigung von d2' bezüglich d.i₀ ist das Doppelte der Neigung von ds_M bezüglich ds_r Es gilt:

NN = 2N N

Wenn man den Mittelpunkt der Kugelwelle, welche in die senkrecht zu N₀L bei N₀ gelegene Ebene einfällt, verschiebt, was darauf hinausläuft, sie um einen bestimmten Winkel bezüglich der theoretischen Kugel zu verdrehen, dreht sich auch die austretende Wellenfläche mit Bezug auf die ursprüngliche Welle um einen gleichen und entgegengesetzten Wert, und zwar unabhängig davon, ob diese Welle kugelförmig ist, was einem vollkommenen Spiegel entspricht, oder deformiert ist, was einem wirklichen Spiegel entspricht. Wenn man infolgedessen eine einfallende Welle betrachtet, die von einem auf der Seite 23 des Fensters gelegenen Punkt stammt, dreht sich die austretende Wellenfläche um einen Winkel Ν_ηάΣ23₀'. Die Abweichung / stellt also auch die Neigung im Punkt d2" zwischen der hier betrachteten neuen Wellenfläche und der bei 23₀' zentrierten Kugelwelle dar, die ein als vollkommen vorausgesetzter Spiegel liefern würde.

Man kann allgemein sagen, daß das elektrische Signal, welches dem nicht verdeckten Teil eines Bildes S' für ein bestimmtes Spiegelelement entspricht, repräsentativ ist für die Neigung oder den Gradienten des optischen Weges 2d/)/djc zwischen der wirklichen Wellenfläche mit Ursprung bei 23 und einer Bezugskugel, die ihren Mittelpunkt auf der Kante 25 der Schneide hat. Unter diesen Umständen ist das am Ausgang der Mischeinrichtung 31 auftretende, korrigierte Signal also repräsentativ für den Gradient des optischen Weges 2 d A/dx oder für das tangentiale Profil. Dieser Gradient ist auf dem Schirm des Oszillographen 36 direkt sichtbar. Die durch die Integrationsschaltung 37 erfolgende Integration des korrigierten Signals liefert ein Oszillogramm, das 2A(x) darstellt oder das Oszillogramm des normalen Profils. Ein derartiges Oszillogramm ist rechts außen in F i g. 7 sichtbar.

In F i g. 9 ist in größerem Maßstab in strichpunktierten Linien das Oszillogramm eines tangentialen Profils dargestellt, und zwar vor Anlegen des Korrektursignals. In ausgezogenen Linien zeigt Fig. 9 dasselbe Oszillogramm nach »Korrektur«, wobei jeweils O der Ursprung des Koordinatensystems ist.

In Fig. 10 zeigt die strichpunktierte Kurve das Oszillogramm der integrierten Spannung, welches, ausgehend von dem strichpunktierten Oszillogramm der F i g. 9, erhalten wird, also ohne Anwendung des Korrektursignals. Durch die ausgezogene Kurve ist in F i g. 9 das integrierte Signal dargestellt, wie man es unter Anwendung des Korrektursignals erhält.

Die schematisch in F i g. 6 durch den Doppelpfeil 26 angegebenen Reguliereinrichtungen werden so eingestellt, daß mit Rücksicht auf die Unvollkommenheiten des gerade kontrollierten Spiegels immer noch ein. Lichtlluß verbleibt, der auf den Schirm 29 fällt, d.h., daß das ganze Bild S' einen Abschnitt besitzt, der über die Kante 25 vorspringt und weiterhin, daß über das ganze Bild .S" hinweg ein Teil durch die Schneide C verdeckt wird.

Mittels einer durch den Doppelpfeil 27 angegebenen Schneidenverstelleinrichtung kann die Schneide C in einer Translationsbewegung parallel zur optischen Achse des Spiegels verschoben werden. Eine solche Verschiebung entspricht der Auswahl einer neuen Bezugskugel, nämlich einer Kugel, die immer noch auf der Schneide zentriert ist und deren Radius einen

ίο neuen Wert besitzt. Mit Bezug auf diese neue Bezugskugel wird dann der optische Weglängenunterschied gemessen.

Die Schneidenverstelleinrichtung 27 kann derart eingestellt werden, daß das Oszillogramm der integrierten Spannung auf beiden Seiten der Abszissenachse maximale Ordinaten hat, die dann im wesentlichen gleich groß sind. Das integrierte Oszillogramm realisiert somit die optischen Wegänderungen bezüglich derjenigen Bezugskugelfiäche, die sich am besten der Spiegelfläche anschmiegt. Aus einer derartigen Einstellung gestattet das Oszillogramm dann auch die Fehler des Spiegels am besten zu berechnen.

Fig. 11 zeigt als Beispiel in strichpunktierter Linie ein Oszillogramm der optischen Wegänderungen vor Einstellung der Schneideneinstelleinrichtung 27 und in ausgezogener Linie das entsprechende Oszillo-' gramm nach Einstellung derselben.

Die Schneidenverstelleinrichtung 27 kann auch derart eingestellt werden, daß das Oszillogramm insgesamt auf einer Seite der horizontalen Achse liegt und diese berührt. Die Abweichungen Δ werden alsdann bestimmt, indem man von einer theoretischen Kugelfläche ausgeht, von der aus gesehen alle tatsächlichen Fehler auf ein und derselben Seite ihrer Oberfläche liegen.

Fig. 12 zeigt als Beispiel in strichpunktierter Linie ein Oszillogramm vor dieser zweiten Einstellung und in ausgezogener Linie ein Oszillogramm nach dieser Einstellung, welche durch Verstellung der Schneideneinstelleinrichtung erhalten wurden. Ein solches Oszillogramm wird vorzugsweise erzeugt, um eine Nacharbeitung an einem Spiegel auszuführen. Ganz allgemein sei an dieser Stelle erwähnt, daß es sich bei den Unregelmäßigkeiten eines Spiegels gewohnlich um Drehunregelmäßigkeiten mit Bezug auf die Spiegelachse handelt.

Die Erfindung gestattet weiterhin die nahezu augenblickliche Bestimmung des numerischen Wertes der Steigungen <x_x und der Abweichungen /J (x) in jedem untersuchten Punkt des Spiegels. Man geht dabei in folgender Weise.vor: Man erzeugt zunächst ein für die tangentialen Abweichungen repräsentatives Oszillogramm sowie ein für die normalen Abweichungen repräsentatives Oszillogramm, und zwar für einen bestimmten Streifen des Spiegels. Derartige Qszillogramme sind in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Wenn die Differenz e zwischen der maximalen tangentialen Abweichung und der minimalen tangentialen Abweichung ziemlich groß ist (einige Millimeter), verschiebt man die Schneide C in Richtung des Pfeiles 26 um einen bekannten Wert T, beispielsweise mit Hilfe einer Millimeterteilung, die auf den Steuereinrichtungen für die Verschiebung derSchneide vorgesehen ist. Die Größe 7' soll in der gleichen Größenordnung wie die Amplitude der Abweichungen e liegen.

Hierauf erzeugt man ein neues Oszillogramm, das für die Steigungen oder tangentialen Abweichungen

die Photozelle die Energiemengen, die der Aufhellung der verschiedenen Zonen des Bandes zwischen den Linien 63 und 69 entsprechen, d. h., das Schlierenbild der Zone zwischen den Linien 67 und 70 wird abgetastet.

In F i g. 6 ist bei S' ein Bild des Fensters S dargestellt, welches von einem Element eines vollkommenen sphärischen Spiegels geliefert würde, dessen Mittelpunkt N₀ in jeweils gleicher Entfernung zwischen den Mittelpunkten des Fensters S und seinem Bild S' liegt und dessen Radius R gleich der Entfernung zwischen dem Punkt N₀ und dem Scheitel L des Spiegels ist. In der Figur ist durch Schraffur derjenige Teil S₀' des Bildes angedeutet, welcher von Lichtstrahlen geliefert wird, die über die Kante der Schneide C hinaus auf den Schirm 29 gelangen. Wenn alle Elemente ds des Spiegels M auf dem. durch die Geraden 67 und 68 begrenzten Ausschnitt x_v X₁' auf einer theoretischen Kugelfläche mit Radius R und Mittelpunkt N₀ liegen, liefert jedes dieser Elemente von dem Fenster S dasselbe Bild S₀, welches um den Punkt 24₀' zentriert ist, der seinerseits das Bild des Mittelpunktes 24 des Fensters S ist. Die Helligkeit des Streifens A₁, A₁ auf dem Schirm 29 zwischen den Geraden 63 und 64 ist gleichförmig • und im Verlauf der Überprüfung des Spiegels M aus irgendeinem Element ds des Ausschnitts stammende, durch die Lochblende F hindurchtretende Lichtmenge ist während der Verschiebung des hellen Bereiches M' auf dem Schirm konstant. Sie entspricht der über die Schneidenkante gelangenden Lichtmenge der schraffierten Bereiche S₀. Diese Fläche ist von der Abbildung 23_n' der Seite 23 und von den über die Schneidenkante 25 vorstehenden Teilen der Bilder 2O₀' und 2I₀' der Seiten 21 und 20 sowie durch die erwähnte Kante 25 der Schneide begrenzt. Unter diesen Umständen hat das Ausgangssignal der Photozelle PM eine rechteckige Form, wobei die Höhe des Rechtecks der konstanten Lichtmenge entspricht, welche in jedem Augenblick auf die Photozelle PM auftriSt.

Falls ein Oberflächenelement ds, das im Punkt 18 des Ausschnittes X₁, X₁ des Kugelspiegels M liegt, nicht in der theoretischen Kugelfläche liegt, trifft die Flächennormale, dieses Elements die Schneide C anstatt in dem Punkt N₀ in einem Punkt N. Das Bild, welches das Element ds vom Fenster S liefert, liegt anstatt bei S₀ bei S'. Die von diesem Flächenelement ds herrührende Lichtmenge, welche in die Streifen A₁, A₁' (F i g. 3) fällt und welche im Verlauf der Rotation des Spiegels m die Lochblende F bei der Abbildung des Elements ds auf die Lochblende durchsetzt, entspricht der durch den schraffierten Abschnitt des Rechtecks S' hindurchtretenden Lichtmenge. Dieser Abschnitt ist durch die Abbildung 23' der Seite 23, die Bildabschnitte 20' und 21', welche über den Rand 25 der Schneide C vorspringen, sowie durch die Kante 25 der Schneide begrenzt. Die von der Photozelle PM empfangene Lichtmenge ist also kleiner, als wenn das Element ds in einer exakten Kugelfläche liegen würde, und zwar um eine Menge, die proportional der Flächendifferenz der über die Schneidenkante vorstehenden schraffierten Bildabschnitte S_n' und S' ist. Dieser Unterschied ist der Größe und dem Vorzeichen nach einem Vektor proportional, welcher den Punkt 24₀' mit dem Punkt 24,' verbindet. Der letztere Punkt 24,' liegt im Schnittpunkt der durch 24' gezogenen Parallelen zur Schneidenkante 25 und der durch 24₀' zu dieser Kante gezogenen Senkrechten.

Wenn <x der Winkel ist, den die die Punkte 18 und 24_n' verbindende Gerade mit der die Punkte 18 und 24' verbindenden Geraden einschließt, wenn ferner 1 die Entfernung zwischen den Punkten 24₀' und 24' ist, ergibt sich in guter Näherung:

1 = Ra.

Wenn i_Y die Projektion des Winkels λ auf diejenige Ebene ist, die durch die die Punkte 18 und 24₀' verbindende Gerade und parallel zu xx' verläuft, und wenn t die Projektion von 1 auf diese Ebene ist, gilt:

I = R-Cc_x.

Wenn A die Normalenabweichung zwischen der theoretischen Kugelfläche und der Fläche des Spiegels im Punkt 18 ist, nämlich die Abweichung, die entlang der Kugelnormalen gerechnet wird, ist die

Ableitung -r— gleich Va · <x_x, und es gilt:

t = 2R

άΔ

dx

Nun ist aber die Lichtmenge, welche auf die Photozelle PM fällt, in jedem Augenblick proportional zum Wert von t, vermehrt um eine Konstante, die dem Wert des schraffierten Teiles des Bildes S₀ entspricht, wie dies aus F i g. 6 hervorgeht. Das Ausgangssignal der Photozelle PM wird somit durch Ά Δ

+ C" dargestellt.

Falls die Flächennormale des nicht in der theoretischen Kugelgestalt liegenden Elements ds trotzdem durch den Punkt JV₀ verläuft, fällt das Bild von S, das dieses Element liefert, mit S₀' zusammen. Jedoch sind dann dieser Fläche ds andere Flächen ds benachbart, deren Normalen nicht durch N₀ verlaufen.

Die Rechteckimpulserzeugungseinrichtung 33 kann durch die Einrichtung 34 derart eingestellt werden, daß die von ihr gelieferte Amplitude des Rechteckimpulses genau gleich und entgegengerichtet zu k₀ ist. Die Größe k₀ ist dabei der Wert der elektrischen Spannung, die der obenerwähnten Konstante entspricht, welche ihrerseits von der transversalen, d. h. in Richtung des Doppelpfeiles 26 erfolgenden Einregulierung der Schneide abhängt.

Unter Bezug auf F i g. 8 sei vorausgesetzt:

ds₀ ist ein Element der theoritsichen Kugelfläche,

deren Mittelpunkt bei N₀ liegt, ds_M ist ein entsprechendes Element des wirklicher« Spiegels M,

d2" ist ein entsprechendes Element der Wellenfläche einer aus /V₀ stammenden Kugelwelle nach Reflexion am Element des wirklichen Spiegels,

N₀ ist auch der Mittelpunkt der theoretischen Kugelfläche mit dem Scheitel L,

N₁ ist die auf die durch die Punkte 24, L und 24₀' bestimmte Ebene erfolgende Projektion des Schnittpunktes der Normalen auf ds_M mit der zu N₀L in N₀ senkrechten Ebene,

/V., ist die auf diese Ebene erfolgende Projektion des Schnittpunktes der Normalen auf άΣ mit der zu N₀L in N₀ senkrechten Ebene,

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Im Falle einer parabolischen Fläche, die an Hand derjenigen Vorrichtung, wie sie oben mit Bezug auf

einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer die Überprüfung eines Kugelspiegels beschrieben

Schneide im Krümmungsmittelpunkt der zu unter- wurde. Wenn der Strömungsbereich V ein vollkom-

suchenden Fläche kontrolliert werden soll, variieren men isotropes Medium ist, ist das von der Photozelle

die Abweichungen zwischen der vollkommenen Para- 5 PM gelieferte Signal konstant. Im Verlauf der Ver-

bolfläche und der Berührungskugel zu dieser Fläche Schiebung der Lochblende F im Schirm 28 gelangen

in derem Scheitel nach einem x⁴-Gesetz. Um die nacheinander die aufeinanderfolgenden Bilder der

Abweichungen zwischen der wirklichen Fläche und verschiedenen Elemente ds des Bandes A_x, A_x in

der vollkommenen parabolischen Fläche hervortreten Überlagerung mit der Lochblende (vgl. Fig. 21).

zu lassen, legt man an das Tangentialprofil ein Kor- io Den Grenzlinien 81,82 dieses Bandes entsprechen

rektursignal in x³ an und an das normale Profil ein als Bilder die Linien 83 und 84 des aufgehellten

Korrektursignal in .r⁴. Beide Korrektursignale werden Bereiches 85, welche durch die kleinen Seiten 86

auf elektronischem Wege bereitgestellt. Es läßt sich und 87 der Lochblende F verlaufen (F i g. 20). In-

weiterhin auf diese Weise eine direkte Kontrolle von folgedessen empfängt die Photozelle PM nachein-

parabolischen wie auch anderen asphärischen Flächen 15 ander Strahlungsmengen, die durch die verschiedenen

verwirklichen. Elemente ds dieses Bandes gegeben sind. Dabei

Die Erfindung gestattet es, Abweichungen zu mes- werden die Strahlungsmengen durch das Durch-

sen, welche zwischen einer wirklichen, deformierten queren des Strömungsbereiches beeinflußt. Wenn der

Welle und einer theoretischen Bezugskugelwelle be- Strömungsbereich nicht isotrop ist, beispielsweise in-

stehen. Die Erfindung erlaubt es deshalb, Abweichun- 20 folge des Einflusses eines zu untersuchenden, in den

gen an allen optischen Systemen zu messen, welche Bereich eingetauchten Modells Q (F i g. 19), äußern

an sich solche vollkommene Kugelwellen erzeugen. sich die Änderungen des Brechungsindex des Strö-

Die Erfindung erstreckt sich also auch auf die mungsbereiches durch Änderungen des von der

Überprüfung oder Herrichtung anderer optischer Ein- Photozelle PM gelieferten Signals. Die Änderungen

richtungen als Konkavspiegel (beispielsweise auch 35 des Brechungsindex sind dabei durch die auf der

auf Konvexspiegel, Planspiegel und weiterhin auf Einführung des Modells beruhenden Änderungen des

optische Linsensysteme). Volumens oder der Dichte des Mediums hervor-

Die Erfindung umfaßt ferner weitere Anwendungs- gerufen. Das Maß dieser Signaländerung gestattet gebiete der Strioskopie, insbesondere auch außerhalb eventuell nach elektronischer Behandlung die Gewinder oben beschriebenen Überprüfung von Spiegeln. 30 nung einer numerischen Auskunft über die Ände-Ein besonderes Interesse findet die Erfindung hin- rungen des Brechungsindex oder des Volumens längs sichtlich der Untersuchung aerodynamischer Phäno- des untersuchten Bandes. Hierauf untersucht man ein mene. Hier kann eine zu dem oben beschriebenen anderes Band oder eine andere Scheibe A₂, A₂ neben Apparat analoge Vorrichtung Anwendung finden. dem ersten Band usw., wobei der Übergang von Fig. 18 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer 35 einem Band auf ein anderes durch Verschieben des Vorrichtung, die insbesondere für eine derartige Schirmes 29 in der durch den Doppelpfeil (F i g. 20) Untersuchung geeignet ist. Die von dem rechteckigen angegebenen Richtung erfolgt. An dieser Verschie-Fenster S gebildete Lichtquelle liegt in einem sekun- bung nimmt auch die hinter der Lochblende F aufdären Brennpunkt 24 eines ersten konkaven Kugel- gestellte Photozelle teil. Die Erfindung zieht in spiegeis M₁, der ein Parallellichtbündel zurückwirft. 40 gleicher Weise auch Ausführungsformen in Betracht, In dieses Lichtbündel ist ein zu untersuchender Strö- bei denen für den Übergang von einem Band zu mungsbereich V eingeschaltet, der im vorliegenden einem anderen andere Mittel verwendet sind.
Beispiel von zwei Gläsern G₁ und G₂ mit parallelen F i g. 22 zeigt mit Bezug auf die Schneide C ein Flächen begrenzt ist. Die Flächen der Gläser liegen Bild S₀ des Fensters 5, welches von einem Element ds zur Richtung des Strahlenbündels senkrecht. Ein 45 geliefert wird, wenn keine Störung im Strömungszweiter konkaver Kugelspiegel M₂ bildet das Licht- bereich vorliegt. In diesem Falle liefert die gesamte, bündel in einem sekundären Brennpunkt 24' ab und durch irgendein anderes Element ds des Bandes hinliefert so das Bild S' des Fensters 5. Die Schneide C durchtretende Strahlung im Verlauf der Analyse dasist im wesentlichen in der Ebene dieses Bildes S' auf- selbe Bild S₀: Die Aufhellung jedes Abschnittes des gestellt. Das teilweise abgedeckte Bündel fällt hierauf 5° Bandes des Schirmes zwischen den Linien 83 und 84 auf einen ebenen Spiegel m, der um die Achse 19 ist also entlang des Bandes konstant. Dabei ist die rotieren kann, wobei die der Drehung dienenden Aufhellung proportional zu derjenigen Strahlungs-Mittel schematisch bei 28 angedeutet sind. Ein Ob- menge, die die Ebene der Schneide überquert, was in jektiv oder eine Linse 41 liegt in unmittelbarer Nach- diesem Falle durch die über die Schneide vorsprinbarschaft der Schneide C im Strahlengang und liefert 55 gende Fläche des Rechtecks gegeben ist. Das im vom Strömungsbereich V oder genauer von einer Verlauf der Abtastung der Lochblende F durch den Längsebene dieses Bereiches in der Ebene des die beleuchteten Bereich 25 von der Photozelle PM ge-Lochblende F aufweisenden, undurchsichtigen Schir- lieferte Signal ist somit ein Signal in Form eines mes 29 ein Bild. Die Lochblende kann beispielsweise Rechtecks oder Zackens.

rechteckig sein, wobei die lange Seite des Rechtecks 60 Wenn demgegenüber eine Störung vorliegt, ist das

parallel zur Achse 19 ausgerichtet ist. Hinter der einem Element des Strömungsbereiches entsprechende

Lochblende F befindet sich die Photozelle PM. Weiter- Bild des Fensters S von S₀' verschieden und liegt bei-

hin sind Mittel 29' vorgesehen, um den Schirm 29 spielsweise bei S_x. Das hiervon von der Photozelle

senkrecht zu der aus der Drehung des Spiegels m gelieferte Signal ist dann proportional zu derjenigen

resultierenden Verschiebungsrichtung des Bildes des 65 von der Schneide nicht verdeckten Fläche des Bildes

Strömungsbereiches zu verschieben. An dieser Be- 5,'. Diese ist im vorliegenden Beispiel größer. Der

wegung nimmt wieder die Photozelle PM teil. Flächenunterschied der nicht verdeckten Teile ist

Die Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht proportional der Entfernung, welche auf der Senk-

repräsentativ ist; sowie ein für die optischen oder normalen Abweichungen repräsentatives Oszillogramm, indem man den Spiegel m eine Umdrehung ausführen läßt, ohne dabei die Stellung des Schirmes 29 zu ändern. Die Ordinatenunterschiede in jedem Punkt der jeweiligen Oszillogramme für die Steigungen und die optischen Abweichungen entsprechen dann der tangentialen Abweichung bzw. der normalen Abweichung, die aus der alleinigen Verschiebung T der Schneide resultiert.

Was die Steigung betrifft, so stellt dieser Unterschied eine Größe TIR dar. Was den optischen Weg betrifft, so stellt diese Differenz, gemessen am Ende x_t' des Streifens X₁, X₁' der Länge X des Spiegels, eine Größe TXIR dar.

Man kann auch auf folgende Weise vorgehen: Man hält den Antriebsmotor des Spiegels m an, wenn sich das Bild irgendeines Elementes ds des Spiegels M über der Lochblende F befindet. Mit Hilfe der schematisch bei 26 angedeuteten Verschiebung verändert man die Stellung der Schneide derart, daß die Tönung, welche man in diesem Punkt des Schlierenbildes auf dem Schirm 29 beobachtet, genau an der Grenze zwischen Schwarz und Weiß liegt, d.h., daß, ausgehend von dieser Stellung, eine sehr kleine Verschiebung der Schneide in der einen Richtung einen schwarzen Abschnitt in Überlagerung mit der Lochblende F erscheinen läßt und eine Verschiebung in der anderen Richtung einen weißen Abschnitt an derselben Stelle auftreten läßt. Ausgehend von dieser Stellung, verschiebt man dann die Schneide um einen bekannten Wert T in Richtung des Pfeiles 26. Anschließend stellt man die Einrichtung 33 mit Hilfe eines Hilfskontaktes an; das Oszillogramm der Photozelle ist dann, falls die Amplitude des durch die Einrichtung 33 gelieferten Rechtecksignals Null ist, ein Zacken, dessen Höhe TIR den Maßstab auf dem Tangentialprofil bestimmt. Das Oszillogramm des integrierten Signals ist eine geneigte Gerade; die Ordinate eines einer Prüflänge X entsprechenden Punktes hat den Wert TXIR; sie bestimmt den Maßstab auf dem Normalenprofil. Man kann auf diese Weise die Oszillogramme der einen oder anderen Art eichen und zur quantitativen Auswertung der erwähnten Oszillogramme übergehen.

Wenn die Amplitude der tangentialen Abweichungen e sehr gering ist (einige Hundertstelmillimeter), ist die Verschiebung T der Schneide, welche in der gleichen Größenordnung wie e liegen muß, schwierig zu messen. Man verfährt in diesem Fall auf folgende Weise:

Man stellt parallel zum Pfeil 26 eine Verschiebung der Schneide mit einer Länge T ein, die ausreicht, um gemessen zu werden; hierauf schiebt man ein Material, dessen Absorptionsvermögen oder »Dichte« mit Bezug auf die benutzte Strahlung bekannt ist, in den Strahlenfluß ein, bevor dieser auf die Photozelle fällt. Dadurch wird einerseits die Übersteuerung des letzteren vermieden, und andererseits ist es auf diese Weise möglich, Oszillogramme zu gewinnen, die nicht über den Schirm des Oszillographen hinaustreten.

Wenn τ der Durchlässigkeitskoeffizient des eingeschobenen Materials ist, erhält man ein Steigungsdiagramm, wie es in Fig. 16 dargestellt ist. Es ist dies ein rechteckiges Diagramm mit der Ordinate H = TTIR. Das integrierte Oszillogramm, welches für die Veränderungen des optischen Weges repräsentativ ist, ist in Fig. 17 dargestellt. Es besteht aus einem Abschnitt einer geneigten Geraden, die den Ursprung der Abweichung mit einem oberen horizontalen Niveau verbindet, dessen Ordinate gleich W ist. Diese Verschiebung W ist ein Maß für die Abweichung der Normalen Δ (χ):

oder

Ax= τ —

Hier ist X die Länge des untersuchten Segmentes auf dem Spiegel.

In einem Beispiel war

R= 5 m,

X= 0,5 m,

T = 5 mm,

τ = ΙΟ-²
gewählt.

Wenn die Amplitude der Ordinate H (F i g. 16) 20 mm ist, entspricht der Steigungsmaßstab auf dem Oszillogramm des tangentialen Profils dem Wert:

5· 10-⁶rad/cm.

Wenn die Verschiebung W gleich 50 mm ist, entspricht der Maßstab auf dem zugehörigen normalen Profil dem Wert:

1 μ/cm.

Im Verlauf einer experimentellen Untersuchung war die Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels m derart, daß die Dauer des Vorbeiwanderns des Lichtfleckes M' entlang einer Durchmesserzone in der Größenordnung einer Millisekunde lag. Die Weite des Loches senkrecht zur Richtung des Vorbeiwanderns war gleich Vioo des Durchmessers des Lichtflecks. Die Weite des Loches in der Richtung des Vorbeiwanderns lag in derselben Größenordnung. Bei einem anderen Versuch hatte das Loch einen im wesentlichen kreisförmigen Umfang.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist nicht nur auf die Kontrolle von reflektierenden sphärischen Flächen, wie oben angegeben, anwendbar, sondern in gleicher Weise auch auf die Überprüfung asphärischer Flächen. Da bei der Anwendung auf einen sphärischen Spiegel das von der Zelle des Photoverfiel-

fachers gelieferte Signal mit einem rechteckigen Signal oder einem Zacken verglichen wird, wobei dieses Signal demjenigen entspricht, das von der Zelle im Falle eines vollkommenen Kugelspiegels geliefert würde, wird bei der Anwendung auf die Kontrolle reflektierender asphärischer Flächen das von der Zelle gelieferte Signal bei der Überprüfung mit einem zweiten Signal verglichen. Dieses zweite Signal wird elektronisch erzeugt. Es entspricht einem Signal, wie es von der Zelle geliefert würde, wenn sie ein Strahlenbündel empfängt, das aus der Reflexion an dem asphärischen Spiegel von vollkommener geometrischer Gestalt resultiert.

Die Bestimmung des Vergleichssignals kann mit Hilfe geometrischer Überlegungen erfolgen, weiche die Beziehung zwischen der vollkommenen asphärischen Fläche mit einer Kugelfläche zum Ausdruck bringen, deren entsprechendes Signal eine horizontale Gerade ist.

rechten zur Schneidenkante 25 zwischen den Mittelpunkten 24_U' und 24/ der Bilder 5,,' und S₁' bestimmt wird. Dieser Unterschied ist proportional zum Winkel λ_λ. zwischen den Lichtstrahlen, die jeweils den Punkten 24₀' und 24,' entsprechen. Das ausgehend von dem durch die Photozelle PM gelieferten Signal gezeichneten Oszillogramm kann als repräsentativ für das »tangentiale« Profil angesehen werden. Die Integration im algebraischen Sinne führt zu dem »normalen« Profil.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil bei Untersuchungen zweidimensionaler Strömungen anwenden, wie sie durch ein Modell entstehen, das in die Strömung eines Windkanals derart eingesetzt ist, daß seine Erzeugenden senkrecht zur Richtung der Strömung verlaufen, d. h., wenn der Querschnitt des Modells in Ebenen parallel zur Richtung der Strömung konstant ist. Die Vorrichtung wird so aufgebaut, daß die Richtung des Lichtstrahlbündels, das die Strömung durchsetzt, parallel zu den Erzeugenden des Modells liegt.

Wenn η die Volumenmasse (Dichte) in einem Punkt der Strömung und η der Brechungsindex des Mediums in diesem Punkt ist, gilt das Gesetz von Gladstone:

η — 1 = k ρ,

k ist eine Konstante.

Da die Strömung eine zweidimensionale Struktur besitzt, sind die Volumenmasse und der Brechungsindex entlang jeder Geraden parallel zu den Erzeugenden konstant. Wenn die Lichtstrahlen parallel zu den Erzeugenden verlaufen, gilt für den optischen Weg Δ, der diesen Lichtstrahlen entspricht:

Δ = η e,

e ist die Dicke der Strömung.

Mit Rücksicht auf das obenerwähnte Gesetz von Gladstone ergibt sich also:

Wenn der Strömungskanal in Betrieb ist und wenn ein Modell in die Strömung eingetaucht ist, stellt sich ein heterogenes Dichtefeld ein, das im allgemeinen um das untersuchte Modell herum stabil ist. Die Wellenfläche wird also nach Durchqueren des Versuchsbereiches V deformiert und bildet mit der einfallenden ebenen Welle variable Abweichungen Δ aus. Die in jedem Punkt zur Wellenfläche normalen Lichtstrahlen werden nach Durchlaufen des Strömungsbereiches V in unterschiedlicher Weise abgelenkt. Infolgedessen verstreuen sich auch die Bildkomponenten 5' des hellen Rechtecks, welche von elementaren Bereichen ds der Wellenfläche stammen, in der Ebene der Schneide. Das Beobachtungsfeld erscheint nicht mehr gleichförmig erhellt.

Jeder Punkt des Feldes bringt eine Aufhellung, welche zur Komponente / der Bildverschiebung in Richtung senkrecht zur Schneidenkante 25 proportional ist (bei entsprechender Wahl des Ursprungs, von welchem aus die Komponente t gemessen wird).

Unter Verwendung bereits oben eingeführter Bezeichnungen ergibt sich:

t-f I ^άΔ

αχ

j ist die Brennweite des Spiegels, und <\_v = d.i/clx ist die Abweichungskomponente des Strahles in Richtung senkrecht zur Schneidenkante.

Die Untersuchung des strioskopischen, auf dem Schirm 29 entstehenden Bildes gestattet also die Gewinnung des tangentialen Profils dzJ/dr und, nach Integration, des normalen Profils Δ(χ), welches bis auf eine Konstante den Aufbau der Volumenmasse ο auf der Untersuchungsgeraden darstellt (Fig. 23). Die Konstante ist durch die Volumenmasse ρ₀ in ίο einem nicht gestörten Strömungsbereich bestimmt. Sie kann durch eine andere Methode gemessen werden, beispielsweise interferometrisch oder durch eine Druckbestimmung in einem nicht gestörten Strömungsbereich. Die Festlegung der numerischen Maßstäbe auf den beiden Profilen wird analog zu demjenigen Vorgehen vorgenommen, wie es oben mit Bezug auf die Untersuchung von Spiegeln angegeben wurde. Man nimmt zwei Oszillogramme auf, eines für das tangentiale und eines für das normale Profil, wobei der Strömungskanal in Betrieb ist. Hierauf stellt man den Strömungskanal ab und verschiebt die Schneide um eine willkürliche Länge T, wobei man die schematisch bei 26 angegebenen Reguliermittel benutzt. Auf diese Weise wird die Kante 25 parallel zu sich selbst verschoben. Hierauf nimmt man ein Oszillogramm für ein tangentiales Profil auf, welches die Form eines Rechtecks oder Zackens besitzt. Dieser Zacken gibt den Wert der Abweichung TIj, wobei / die Brennweite des Spiegels M.-, ist. Man integriert hierauf den erwähnten Zacken, um ein normales Profil zu gewinnen, welches sich als geneigte Gerade darstellt, deren Verschiebung, nämlich der Ordinatenunterschied zwischen ihren Enden, den Maßstab für die Werte auf dem normalen Profil darstellt.

Um Schwingungseinflüsse, denen die Vorrichtung unterliegen kann, auf ein Minimum zu beschränken oder ganz zu beseitigen, kann das durch die Photozelle gelieferte Signal ein Hochpaßfilter durchlaufen, das in der Lage ist, den Störeffekt der Schwingungen zu unterdrücken, da die Frequenzen dieser Schwingungen im allgemeinen kleiner als diejenigen des Signals sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Störeffekt der Schwingungen automatisch kompensiert, und der Einsatz eines Filters ist überflüssig. Diese Ausführungsform kann selbst dann verwendet werden, wenn die Abtastfrequenz relativ klein ist. so daß sich auf diese Weise also eine besonders feine Analyse ausführen läßt. Das Korrektursignal, welches dem von der Photozelle gelieferten Signal angelegt wird und welches im Falle der Überprüfung eines Kugelspiegels ein horizontales Signal ist, wird hierbei in Abhängigkeit von denjenigen Schwingungen variiert, denen die Vorrichtung unterworfen ist, so daß in jedem Augenblick der Einfluß der Schwingungen auf das von der Photozelle gelieferte Signal kompensiert wird. Eine Ausführungsform einer derartigen Einrichtung ist in Fi g. 24 dargestellt. Der Aufbau umfaßt einen zum Gegenstand der Fig. 1 analogen Teil, d.h., daß in der Ebene des Bildes S' der Lichtquelle S₁ welches von dem zu kontrollierenden Spiegel M geliefert wird, falls die Apparatur für diesen Zweck vorgesehen ist, eine Schneide C angebracht ist. Eine Linse 41 ist derart angeordnet, daß sie in der Ebene eines Schirmes 29 mit Lochblende F₁ ein Bild des Spiegels M liefert. Hin Drehspiegel m ist so in das Strahlenbündel eingeschaltet,

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daß eine hinter der Lochblende F liegende Photozelle PM₁ im Verlauf der Rotation des Spiegels m die über die Schneide C hinwegtretende Lichtmenge empfängt. Diese Lichtmenge entspricht einer von den verschiedenen Elementen eines Bandes oder einer in bezug auf die Linse 41 zur Lochblende F₁ konjugierten Linie des Spiegels M ausgehenden Lichtmenge. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Teil des das strioskopische Bild transportierenden Bündels 150 vor Erreichen des Spiegels in abgelenkt, beispielsweise mit Hilfe eines halbdurchlässigen Blättchens 151. Quer zum Bündel 152, welches durch das Blättchen 151 reflektiert wird, ist ein Schirm 29., aufgestellt, und zwar in einer Position, die optisch mit Bezug auf die Linse 41 zur Stellung des Spiegels M konjugiert ist. Der Schirm 29.,, der mit dem Schirm 29, fest verbunden sein kann, besitzt einen Spalt F., (Fig. 25). Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die gewährleisten, daß in jedem Augenblick der Spalt F., dem Bild des Bandes im Verlauf der Untersuchung des Spiegels M überlagert ist. Diese Mittel können aus einem Mechanismus zur Verschiebung des Schirmes 29., senkrecht zur Richtung des Spaltes F., bestehen, und zwar nach jeder Rotation des Spiegels m. Man kann weiterhin zu diesem Zweck das halbdurchlässige Blättchen 151 drehbar um eine senkrecht zur Achse 19 gelegene Achse anordnen, wobei diese Drehachse in der Ebene der Fig. 24 liegt. Hinter dem Spalt F., ist unter Zwischenschaltung einer Feldlinse 153 eine Photozelle PM., angeordnet, so daß das aus dem untersuchten Streifen austretende Licht auf die Photozelle PM₂ fällt. Bei jeder Untersuchung empfängt die Photozelle P/V/., eine Lichtmenge, die proportional zur gesamten oder (bei Zwischenschaltung eines absorbierenden Mediums) zur halben Lichtmenge ist, welche nacheinander durch die verschiedenen, zur Lochblende F₁ konjugierten Elemente des Bandes während der Analyse des Spiegels M läuft. Das von der Photozelle PM., gelieferte Signal wird mit dem von der Photozelle PzVZ₁ gelieferten Signal vermischt, wobei das resultierende Signal auf eine Weise behandelt werden kann, die zu derjenigen analog ist, wie sie bei der mit Bezug auf F i g. 1 beschriebenen Ausführungsform ausgeführt wird. Vor die Photozelle PM., wird ein absorbierendes Medium 154 gestellt, das auf diese Weise den gewünschten Ursprung desjenigen Diagramms definiert, welches das von P/V/., herrührende Signal darstellt. Dieses Signal wird natürlich durch diejenigen Schwingungen beeinflußt, denen die Vorrichtung unterliegt und deren Effekte sich sowohl im durch das Element 151 reflektierten Bündel wie auch in demjenigen Bündel bemerkbar machen, das dieses Element durchquert, so daß man also durch die Vermischung der von PzVi₁ und PM., gelieferten Signale automatisch die Kompensierung der erwähnten Schwingungseffekte erreichen kann. Vorzugsweise ist die optische Dichte des benutzten absorbierenden Mediums einstellbar. Eine solche einstellbare Dichte läßt sich beispielsweise auf einer Scheibe realisieren, deren Durchlaßfaktor progressiv verläuft. Die Scheibe ist verschiebbar, um so die Abschwächung im erforderlichen Maße zu regeln. Bei dieser Vorrichtung beeinflussen eventuell Intensitätsschwankungen der Lichtquelle ebenfalls das gewonnene strioskopische Signal nicht.

Im Falle einer Vorrichtung für die Untersuchung aerodynamischer Phänomene kann eine analoge Anordnung benutzt werden, wobei das Kompensationssignal dann aus einem nicht gestörten Bereich der Strömung, beispielsweise vom Modell stromaufwärts, herrührt.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Untersuchung mit Hilfe eines drehenden Spiegels vorgenommen. Die Erfindung sieht auch Ausführungsformen vor, bei denen die Analyse mit Hilfe anderer Mittel ausgeführt wird. ίο Insbesondere kann die Analyse des strioskopischen Bildes so vorgenommen werden, wie es im Fernsehen für die Übertragung von Bildsignalen zur Anwendung gelangt. Eine solche Ausführungsform wird nunmehr beschrieben. In diesem Fall enthält die Vorrichtung eine Fernsehkamera 100 sowie eine Einrichtung 101, die auf der empfindlichen Fläche 102 der Kamera ein strioskopisches Bild oder ein Striogramm 103 liefert (Fig. 26, 27). Dabei besitzt das Striogramm Zonen, deren Aufhellungsunterschiede auf strioskopischem Wege gewonnen wurden.

Die im Ausgangskreis der Kamera auftretenden Bildsignale v, welche in üblicher Weise aus Zeilenanfangssignalen V₁ und aus Bildanfangs- oder Rastersignalen / bestehen, werden an eine Einrichtung 105 angelegt, welche sie unverändert an einen Stromkreis 106 weiterleitet. Die Rastersignale / werden über die Einrichtung 105 durch den Stromkreis 107 an eine eine Verzögerung erzeugende elektronische Einrichtung 109 angelegt, welche in ihrem Ausgangskreis 110 Impulse liefert, von denen jeder einem verzögertem Rastersignal / entspricht.

Die von der Einrichtung 109 gelieferten Impulse werden über einen Stromkreis 112 an eine elektronische Kippvorrichtung 113 angelegt, die bei jedem empfangenen Impuls / ein rechteckiges Signal r von bestimmter regelbarer Dauer liefert. Die Amplitude dieses rechteckigen Signals ;· kann mittels des Betätigungsorgans 117 geregelt werden. Das rechteckige Signal /· wird über einen Stromkreis 114 an den Eingang einer Mischeinrichtung 115 gelegt, die auf der anderen Seite das Bildsignal ν über den Stromkreis 106 empfängt. Ein Ausgang der Mischeinrichtung 115 wird an einen Oszillographen 108 angelegt, der auf der anderen Seite mit der Einrichtung 109 derart verbunden ist, daß jeder von der erwähnten Einrichtung gelieferte Impuls / den Betrieb des Oszillographen auslöst, und zwar jeweils für eine Untersuchung entlang einer Linie. Der Ausgang 118 der Mischeinrichtung ist weiterhin mit dem Eingang eines elektronischen Integrators 119 verbunden, dessen Ausgangskreis 120 mit einem Kathodenstrahloszillographen oder vorzugsweise auch mit einem zweiten Strahl des Oszillographen 108 in Verbindung steht. Ein vom Stromkreis 104 abgeleiteter Kreis 121 legt das Bildsignal ν an einen Fernsehempfänger 122 an, welcher auf der anderen Seite über einen Stromkreis 123 ein Rechtecksignal konstanter Amplitude empfängt, das von gleicher Dauer wie das Signal r ist und leicht von dem Signal /· selbst erhalten werden kann.

Der Betriebsablauf dieser Vorrichtung ist folgender: Wenn der Schirm 102 der Kamera ein strioskopisches Bild empfängt, erscheint auf dem Schirm 124(Fi g. 28) des mit der Kamera verbundenen Fernsehempfängers ein Bild 125. Dieses Bild ist ein Striogramm. Die von der Einrichtung 109 gelieferten Impulse lassen auf dem Striogramm eine horizontale Linie 126 erscheinen, die dunkel oder hell mit dem übrigen Strio-

gramm in Kontrast steht. Beim Regeln des Verzögerungsgenerators 109 mit Hilfe des Organs 111 verschiebt sich die Kontrast-Linie 126 nach oben oder unten; für eine bestimmte horizontale Linie kann man deren Ursprung derart verändern, daß er mit dem Rand des Striogramms zusammenfällt.

Die gleichen Impulse / lösen den Oszillographen 108 aus, um den Teil des in diesem Augenblick an den Oszillographen über den Stromkreis 116 angelegten Signals, das der Linie 126 entspricht, darzustellen. Am Oszillographen erscheint also auf seiner ersten Leitung ein Linienzug, wie bei 127 dargestellt, der für die Aufhellung der Linie 128 des auf die empfindliche Fläche 102 der Kamera 100 projizierten strioskopischen Bildes, welcher die auf dem Empfänger 122 sichtbar gemachte Linie 126 entspricht, repräsentativ ist, jedoch unter Berücksichtigung der Zufügung des rechteckigen Signals r. Der Linienzug 127 ist ein »Tangentialprofil«, das demjenigen Phänomen entspricht, welches von der strioskopischen Vorrichtung 101 gerade behandelt wird. Ausgehend von diesem Linienzug, kann man nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Ergebnisse mit Bezug auf die untersuchten Phänomen gewinnen.

Der Integrator 119 liefert ein Signal, dessen Darstellung in der zweiten Leitung des Oszillographen 108 ein Linienzug 130 ist, der für das entsprechende Normalprofil im Bereich des durch die Vorrichtung 101 untersuchten Phänomens repräsentativ ist. Die Beobachtung des Schirmes 124 gestattet es in jedem Augenblick, den Abschnitt des Organs oder Phänomens, welches untersucht wird, zu lokalisieren.

Bei der in Fig. 29 dargestellten Ausführungsform ist die die Impulse i liefernde Einrichtung 109 über den Stromkreis 130 mit einer Kippvorrichtung 131 verbunden, die über den Kreis 132 mit einem Gatter oder elektronischen Tor 133 in Verbindung steht, das andererseits über den Stromkreis 134 die Zeilensignale v, empfängt. Der Ausgang 135 des Tores 133 wird sowohl an die die Rechtecksignale r liefernde Einrichtung 113 als auch an den Kathodenstrahloszillographen 108 angelegt. Bei dieser Ausführungsform läßt das elektronische Tor 133 kein Zeilensignal V₁ passieren, solange es kein Signal aus der Kippvorrichtung 131 empfängt. Wenn diese letztere von der Einrichtung 109 einen Impuls / empfängt, liefert sie ein Rechtecksignal, das die Torschaltung 133 derart öffnet, daß diese das erste Zeilensignal V₁ passieren läßt, welches ihr über den Stromkreis 134

to zugeführt wurde. Unmittelbar hierauf sperrt die Torschaltung wieder bis zur Ankunft des nächsten Rechtecksignals über die Leitung 132. Das auf diese Weise die Torschaltung 133 durchquerende Signal V₁ wird an die Einrichtung 113 und den Oszillographen 108 angelegt; der Steuerimpuls V₁, der immer dem Zeilenanfang entspricht, unterliegt keinen Fluktuationen mit Bezug auf ein Rastersignal t; man vermeidet so Bildverschiebungen auf dem Schirm des Oszillographen 108. Diese Fluktuationen würden der Ver-

ao Schiebung zwischen der durch die Einrichtung 109 eingeführten Verzögerung und dem Zeitintervall, das ein Rastersignal von der Linie im Verlauf der Untersuchung trennt, entsprechen.

Bei der in Fig. 30 dargestellte zusätzlichen Einrichtung ist der Stromkreis 135 an den Eingang einer Kippvorrichtung 136 angelegt, deren Wirkungsdauer mit Hilfe eines nicht gezeichneten Organs beliebig regelbar ist. Das vordere Ende des von dieser Kippvorrichtung gelieferten Rechtecksignals r dient dazu, in einer Einrichtung 137 einen Impuls V₁' zu erzeugen, welcher über einen Stromkreis 138 sowohl an die Einrichtung 113 als an den Oszillographen 108 angelegt wird. Man kann auf diese Weise den Oszillographen 108 und die Einrichtung 113 synchronisieren, und zwar nicht nur auf ein Zeilenanfangssignal, sondern auch auf den effektiven Beginn eines.Striogramms, was dann vorteilhaft ist, wenn das von der Vorrichtung 101 gelieferte Striogramm in seiner Gesamtheit im Inneren des Feldes der empfindlichen Fläche der Fernsehkamera 100 liegt.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung 'optischer Wegunterschiede nach der Schlierenmethode unter Verwendung einer undurchsichtigen Schneide mit geradliniger Kante, die in das zu untersuchende Lichtbündel eingeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Schneide (C) ein Drehspiegel (m) angeordnet ist, mittels dessen ein Schlierenbild des zu untersuchenden Gegenstandes (M, V) auf einen mit einer Lochblende (F) versehenen Schirm (29) projiziert wird, und daß eine Einrichtung (29') vorgesehen ist, mittels welcher eine Relatiwerschiebung zwischen der Lochblende (F) und dem Schlierenbild quer zu der vom Drehspiegel (m) erzeugten Wanderbewegung des Schlierenbildes erzielt wird, ferner, daß hinter der Lochblende (F) eine Photozelle (PM) vorgesehen ist, die den Lichtwerten der punktförmigen Abtastung des Schlierenbildes entsprechende Impulse einer Auswerteeinrichtung (31 bis 38) zuleitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende rechteckig ist und daß das Rechteck vorzugsweise mit seiner kleineren Seite parallel zur Drehachse des Drehspiegels (m) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Photozelle (PM) gelieferten elektrischen Signale in einer Mischein-. richtung (31). mit Vergleichssignalen gemischt werden, welche einem schlierenfreien Untersüchungsgegenstand entsprechen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung der Kugelgestalt eines »sphärischen« Spiegels als Vergleichssignale Rechteckimpulse dienen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehspiegel (m) eine Drehkontakteinrichtung (56, 57) zugeordnet ist, durch welche die Rechteckimpulse synchronisiert werden. . . ·....··■,..

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und die Länge der Rechteckimpulse einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischeinrichtung (31) ein Kathodenstrahloszillograph (36) nachgeschaltet ist, auf welchem das Mischsignal sichtbar wird.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Integrationseinrichtung (37) vorgesehen ist, welcher das von der Mischeinrichtung (31) erzeugte Mischsignal zugeleitet wird und dessen Ausgangsspannung an einem Kathodenstrahloszillographen angelegt ist.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (C) parallel und senkrecht zur optischen Achse verschiebbar ist.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Photozelle (PM₁) mit der Ausgangsspannung einer zweiten Photozelle (PM.₂) gemischt wird, die hinter einem Spalt (F₂) angeordnet ist und einen abgezweigten Vergleichslichtnuß erhält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle .der mechanischer: Abtastung der Bildpunkte des Schlierenbildes eine elektronische Abtastung mittels einer Fernsehkamera (100) vorgenommen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Torschaltung (133), welche Blockiersignale liefert, die relativ zu den Rastersignalen der Fernsehkamera (100) eine einstellbare Zeitverzögerung besitzen und die einen Fernsehempfänger (122) steuern, welcher die Bildsignale der Kamera erhält.